[論文レビュー] A 96 GeV Higgs Boson in the 2HDM plus Singlet

S. Heinemeyer, C. Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、2HDM+Singletフレームワーク（2HDMSまたはN2HDM）内で96 GeVのヒッグス粒子を提案し、CMSでの3σの二光子崩壊過剰とLEPでの2σのb¯b過剰を同時に説明する。両モデルにおける最も軽いCP偶性ヒッグスは、LHC、テバトロン、LEP、および理論的制約を満たしながら、両過剰を適合させることができる。ILC250での精度測定では、96 GeV状態のカップリング予測が同一であるため、2HDMSとN2HDMを区別できない。

ABSTRACT

We discuss a $\sim 3\,\sigma$ signal (local) in the light Higgs-boson search in the diphoton decay mode at $\sim 96$ GeV as reported by CMS, together with a $\sim 2\,\sigma$ excess (local) in the $b \bar b$ final state at LEP in the same mass range. We interpret this possible signal as a Higgs boson in the 2 Higgs Doublet Model type II with an additional Higgs singlet, which can be either complex (2HDMS) or real (N2HDM). We find that the lightest CP-even Higgs boson of the two models can equally yield a perfect fit to both excesses simultaneously, while the second lightest state is in full agreement with the Higgs-boson measurements at $125$ GeV, and the full Higgs-boson sector is in agreement with all Higgs exclusion bounds from LEP, the Tevatron and the LHC as well as other theoretical and experimental constraints. We derive bounds on the 2HDMS and N2HDM Higgs sectors from a fit to both excesses and describe how this signal can be further analyzed at future $e^+e^-$ colliders, such as the ILC. We analyze in detail the anticipated precision of the coupling measurements of the $96$ GeV Higgs boson at the ILC. We find that these Higgs-boson measurements at the LHC and the ILC cannot distinguish between the two Higgs-sector realizations.

研究の動機と目的

• この論文は、CMSでの96 GeVの二光子過剰とLEPでの96 GeVのb¯b過剰を、拡張されたヒッグス系における単一の軽いヒッグス粒子として解釈することを目的としている。
• 2HDM型IIに追加の実または複素スティン（N2HDMまたは2HDMS）を加えたモデルが、両過剰を同時に説明できるかどうかを調査している。
• 本研究は、LEP、テバトロン、LHCからの全実験的制約が、ヒッグス系全体と整合するかどうかを評価している。
• 特にILC250を含む将来のe+e−衝突機が、96 GeVヒッグス粒子のカップリングをどのようにプローブできるかを評価している。
• 2HDMSとN2HDMモデルが、将来のコライダーでの精度測定によって区別可能かどうかを特定することも目的としている。

提案手法

• 2HDMSとN2HDMモデルは、それぞれZ3対称性（2HDMS）とZ′2対称性（N2HDM）を有し、両者とも木レベルでのFCNCを保存する。
• ヒッグスポテンシャルは2つのダブルットと1つのスティンを含み、すべてのスカラー場の真空期待値（vev）を含む。
• LEP、テバトロン、LHCのヒッグス除外限界に加え、125 GeVでの精度測定も実験的制約として適用している。
• 信号過剰は、イベント数と有意水準（3σの局所的有意水準）としてモデル化されており、CMSの二光子チャンネルで3σ、LEPのb¯bチャンネルで2.3σの局所的有意水準である。
• ILC250の感度は、信号対背景比（S/B）、断面積計算、カップリング測定の不確実性伝播を用いて評価されている。
• カップリングの不確実性は統計的誤差伝搬を用いて導出されており、∆NS/NS ∝ √(NT) および ∆NB ∝ ϵsyst,B·NB と表され、信号対背景比が相対的精度の推定に用いられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDM+Singletフレームワーク（2HDMSまたはN2HDM）は、CMSでの96 GeVの二光子過剰とLEPでのb¯b過剰を同時に説明できるか？
• RQ2 2HDMSとN2HDMにおける96 GeVヒッグス粒子のカップリング予測が同一であるため、将来のコライダーではそれらを区別できないか？
• RQ3 両過剰および他のすべての制約と整合する2HDMSおよびN2HDMにおけるヒッグス系パラメータの制限は何か？
• RQ4 ILC250では、96 GeVヒッグス粒子のカップリングをどの程度の精度で測定できるか？
• RQ5 将来のe+e−コライダーでのカップリング測定の精度に、ループ補正とバックグラウンド推定の不確実性がどのように寄与するか？

主な発見

• 2HDMSおよびN2HDM両モデルにおける最も軽いCP偶性ヒッグス粒子は、3σのCMS二光子過剰と2.3σのLEP b¯b過剰を高い一貫性で同時に適合させることができる。
• 両モデルにおける2番目に軽いヒッグス状態は、LHCでの125 GeVヒッグス粒子の測定と完全に整合している。
• 両モデルにおける全ヒッグス系は、LEP、テバトロン、およびLHCからの全ヒッグス除外限界を満たしている。
• ILC250における96 GeVヒッグス粒子のフェルミオンおよびゲージボソンへのカップリングは、両モデルで同等の精度で予測される。
• ILC250における96 GeVヒッグスの信号対背景比（S/B）は、D = fh/fφ ≈ 3 を保守的な値として推定され、カップリング精度が測定可能である。
• ILC250では、96 GeVヒッグスのカップリング予測が同一であるため、2HDMSとN2HDMを区別できない。高精度測定であっても同様である。